Полупроводниковые диоды

Пермский государственный технический университет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по теме

Полупроводниковые диоды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент ********

************************

Проверил 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пермь

 

Содержание:

 

 

 

 

Введение

Электроника - это область науки, техники и производства, охватывающая исследование и разработку электронных приборов и принципов их использования.

Микроэлектроника - это раздел электроники, охватывающий исследование и разработку качественно нового типа электронных приборов - интегральных микросхем - и принципов их применения.

Развитие электроники

Как самостоятельная область науки  и техники электроника начала развиваться на границе XIX и XX вв., после открытия термоэлектронной эмиссии (1883 г.), фотоэлектронной эмиссии (1888 г.), разработки вакуумного диода (1903 г.) и вакуумного триода (1904 г.).

На становление и дальнейшее развитие электроники решающее влияние оказало изобретение радио (1885 г.). Вначале электроника развивалась только как радиоэлектроника, обслуживающая нужды радиотехники. Совершенствовались радиолампы. Большую роль в развитии электроники сыграла радиолокация в годы второй мировой войны.

Нерадиотехническое применение электроники  долгое время развивалось под  сильным влиянием радиоэлектроники, из которой заимствовались основные элементы, схемы и методы. Однако дальнейшее развитие нерадиотехнических применений электроники пошло по самостоятельному пути, прежде всего в области ядерных исследований (с 1943 г.), вычислительной техники (с 1949 г.) и массовой автоматизации производственных процессов. Особенно важным этапом в развитии электроники является послевоенный период.

Типичной конструкцией электронного устройства в конце войны было металлическое шасси с закрепленными на нем различными элементами. Основным электронным прибором была электронная лампа. Электронные устройства такой конструкции потребляли много энергии, выделяя много тепла, имели большой вес и габариты.

Средняя плотность монтажа была чрезвычайно низкой - до 0,01 элемента/см³. Развитие авиации и ракетостроения особенно остро поставило задачу значительного уменьшения габаритов и веса, снижения потребляемой мощности, уменьшения стоимости. Применение малогабаритных ламп и печатного монтажа увеличило среднюю плотность монтажа до 0,1 эл/см³. Сделать монтаж более компактным с электронными лампами было невозможно, из-за трудности отвода выделяемого тепла. Нужны были принципиально новые элементы и принципы конструирования. Такими новыми элементами явились полупроводниковые приборы, которые открыли новые широкие возможности в конструировании аппаратуры.

Полупроводниковые приборы начали развиваться бурными темпами. Транзистор был изобретен в 1948 г. в США. В 1955 г. в мире выпускалось 350 типов транзисторов, а в 1963 г. - уже 3000 типов. В 1956 г. только в США изготовлялось 14 млн. транзисторов в год, а в 1961 г. в Японии - 200 млн. транзисторов в год.

В нашей стране огромный вклад в  развитие теории полупроводниковых  приборов внесла школа академика А.Ф. Иоффе.

Полупроводниковые приборы не требуют  подогрева, потребляют очень мало энергии, имеют малые габариты и вес.

 

В данном реферате рассматриваются  диоды – одни из наиболее простых  полупроводниковых приборов. Приводятся примерная классификация и их основные технические характеристики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Плоскостной выпрямительный диод

 

 

 

Плоскостные диоды имеют плоский р-п переход с достаточно большой площадью перехода. Величиной площади перехода определяется максимальный прямой ток, который для разных диодов находится в пределах от десятков миллиампер до сотен ампер.

Обратные напряжения плоскостных диодов могут достигать  тысячи вольт и выше. В настоящее время используется несколько методов изготовления р-п переходов. Наиболее распространены сплавной и диффузионный методы.

Выпрямительные диоды - это самые распространенные, самые обыкновенные плоскостные диоды. Кроме выпрямительных устройств они широко используются в самых разнообразных схемах, рабочие частоты которых невелики. В последнее время выпрямительные и силовые диоды, как правило, изготовляются из кремния. Электрические параметры и методы их определения, обусловленные особенностями работы диодов в цепях переменного тока, несколько отличаются от рассмотренных выше. Параметры выпрямительных и силовых диодов определяются из классификационной вольт-амперной характеристики, прямая ветвь которой представляет зависимость среднего значения прямого тока от среднего значения прямого напряжения в режиме однополупериодного выпрямления (при этом на диод подаются только положительные полусинусоиды напряжения).

Обратная ветвь классификационной  характеристики представляет зависимость среднего значения обратного тона от амплитудного значения обратного напряжения (на диод при этом подаются только отрицательные полусинусоиды напряжения). Параметры выпрямительных и силовых диодов определяются также координатами точек классификационной вольт-амперной характеристики. На прямой ветви (точка А ) определены:

1. I_ан - номинальный средний прямой ток. Это длительно допустимый ток, при котором диод не нагревается выше допустимой температуры. Для германиевых диодов плотность прямого тока достигает 0,5 А/мм², для кремниевых - 1 А/мм².

 

Рис.1

 

2. DU_ан - номинальное среднее значение прямого напряжения при токе I_ан. По величине DU_ан силовые диоды делятся на группы.

На обратной ветви (точка В) определены:

1. U_обр.н - номинальное обратное напряжение. Это максимальное допустимое напряжение любой формы, при котором не происходит пробой р-п перехода. По величине U_обр.н силовые диоды делятся на классы. Класс обозначается числом, получаемым от деления U_обр.н на 100. Для силовых диодов m = 0,5.

2. I_обр.ср - среднее значение обратного тока - это среднее за период значение обратного тока при номинальном обратном напряжении.

Кроме этих параметров для  выпрямительных диодов, особенно для  мощных силовых диодов, важное значение имеют также параметры:

P_{расс.доп} - допустимая мощность рассеяния в диоде, при которой p-n переход не нагревается выше допустимой температуры;

- тепловое сопротивление участка переход - среда, это сопротивление растеканию тепла, выделяемого в переходе.

 

 

Параметры выпрямительных диодов

Тип диода	Iан, А	Uобр.н, В	DUан, В	Iобр.ср, А	,	Охлаждение
Д226 Д247 КД 202В В-200, В2-200   ВКД-200	0,3 10 3     200	400 500 600 100-1000 (до 2500)	< 1 < 1,25 < 1     < 0,6	< 0,03 < 3 < 1     -	- - -     0,15	Естественное -²- -²- Воздушное Принудительное  с радиатором

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кремниевый стабилитрон

 

 

 

 

 

Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, у которых  в области пробоя (на обратной ветви) напряжение на диоде почти не изменяется при изменении тока пробоя в широких пределах. Это обусловлено тем, что имеет место только электрический пробой. Тепловой пробой на рабочем участке характеристики исключен. Стабилитроны выполняются из кремния сплавным (реже диффузионным) методом. Вольт-амперная характеристика и условное обозначение стабилитрона приведены на рис.2. Прямая ветвь - обычная. Рабочей является обратная ветвь в области пробоя. В пределах I_ст.min – I_ст.max напряжение пробоя является напряжением стабилизации U_стаб. Стабилитроны используются для стабилизации постоянного напряжения и для ограничения напряжения (постоянного и переменного), а также в качестве источников эталонного напряжения и др.

Рис.2

 

 

 

Параметры стабилитронов определяются на рабочем участке характеристики. Основными параметрами являются:

U_cт - номинальное напряжение стабилизации;

I_ст  - номинальный ток стабилизации;

I_ст.min – минимальный ток стабилизации (при токах, меньших I_ст.min, резко ухудшаются свойства стабилитрона);

I_ст.min - максимальный ток стабилизации, при котором гарантируется заданная надежность при длительной работе (I_ст.min определяется допустимой мощностью рассеяния P_расс.max );

R_д - дифференциальное сопротивление на рабочем участке, определяемое отношением приращения напряжения стабилизации DU_ст к вызвавшему его приращению тока стабилитрона DI_ст (при заданном токе стабилитрона):

,                                                       (4.9)

ТКС - температурный коэффициент напряжения стабилизации, определяемый относительным (процентным) изменением напряжения стабилизации к изменении температуры окружающей среды:

Если напряжение не превышает 5,7 В, ТКС отрицателен. При этом преобладает туннельный механизм пробоя. При больших напряжениях (U_ст > 5,7 В) доминирует лавинный механизм и ТКС становится положительным /2,3/.

 

 

 

 

 

Параметры стабилитронов

Тип Приборов	Uст, В	Iст, мА	R, Ом	ТКН,	Iст.min , Iст.max , мА	Pрасс.max, мВт
КС147А Д808 КС980А	4,1-5,2 7,0-8,5 153-207	10 5 25	56 6 330	-0,08 +0,07 +0,2	3-58 1-33 2,5-28	300 280 5000

 

 

Туннельный  диод

 

 

 

 

 

 

 

 

Основой туннельного  диода также является р-n переход, однако среди других ТД занимает особое место. Его действие в рабочем диапазона основано на туннельном механизме протекания тока, а не на диффузионном, как у других диодов. В туннельном диоде р-п переход образован между двумя вырожденными областями р- и п-типа (т.е. с очень высокой концентрацией доноров и акцепторов – 10¹⁹ см^-3 и больше). Уровень Ферми вырожденных полупроводников находится внутри разрешенной зоны. Потенциальный барьер такого перехода близок к максимальному, а ширина р-п перехода мала - 0,01-0,02 мкм. Внутреннее электрическое поле перехода достигает критической величины E_кр>10⁵ В/см, при которой резко возрастает вероятность туннельного эффекта. При этом электроны могут переходить из одной области в другую, не преодолевая потенциального барьера, а просачиваясь сквозь него (туннелировать) благодаря волновым свойствам электрона. В вольт-амперной характеристике туннельного диода (рис.3) имеется область, обусловленная туннельным механизмом протекания тока - вся обратная ветвь и прямая ветвь до точки 2. В этой области при малых смещениях (прямом и обратном) токи резко возрастают. Затем на прямой ветви достигается максимальное (пиковое) значение I_n, после которого прямой ток падает (из-за уменьшения напряженности E и уменьшения туннельного потока носителей).

Рис. 3

 

В точке 2 (называемой впадиной) туннельный эффект практически исчезает и преобладающим становится диффузионный механизм протекания тока, вольт-амперная характеристика после точки 2 совпадает с прямой ветвью ВАХ обычного диода. Рабочей является часть прямой ветви в пределах 0¸U₃. Участок характеристики U_п - U_в с отрицательным сопротивлением - важнейшая особенность туннельного диода. Туннельные диоды обладают высоким быстродействием (могут работать в СВЧ диапазоне), могут использоваться в широком диапазоне температур (германиевые – до +200 °С, арсенидгаллиевые - до +400 °С). В устройствах автоматики туннельные диоды применяются как быстродействующие переключающие элементы.

Параметры туннельных диодов

Тип Диода	Материал	Пиковый ток I1, мА	IB, МА		U1, МВ	U2, В	Uз, В
ГИ 304А ГИ 305А АИ 301Г	Ge Ge GaAs	4,8 9,6 10	0,3 0,5 1,0	>5 >5 >8	< 75 < 85 180	0,25¸0,35 0,25¸0,350,4¸0,5	> 0,44 > 0,45 > 0,8

 

Точечный диод

 

Точечные диоды имеют р-п переход в виде полусферы с очень малой площадью перехода (рис.4). Технология их изготовления сравнительно проста. Жесткая заостренная игла из сплава вольфрама с молибденом прижимается к базовой пластинке германия (или кремния) п-типа, помещается в корпус и герметизируется. После сборки и герметизации производится электроформовка - пропускание через прижимной контакт импульсов тока с большой амплитудой. Под действием этих импульсов под острием иглы образуется p-область (с очень малыми размерами) и р-п переход на границе с исходным полупроводником п-типа. Точечные диоды изготовляются на сравнительно небольшие токи и обратные напряжения, но зато они дешевы и рабочие частоты их высоки.

 

Некоторые параметры точечных диодов

Тип прибора	Iпр, А	Uпр, В	Uобр, В	Iобр, мА
Д7А Д7Ж Д246А Д1008	0,3 0,3 10 0,05	0,5 0,5 1,0 11	50 400 400 10000	0,1 0,1 3,0 -